DE102016207135B3 - Brennkraftmaschine und Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine und Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, wobei ein Druck eines Gases vor einem Beginn eines Brennvorgangs in einem Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine gemessen wird, wobei auf Grundlage des gemessenen Drucks und einer molaren Veränderung einer Zusammensetzung des Gases im Zylinder während des Brennvorgangs eine Gastemperatur des Gases im Zylinder ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 8.
  • Es ist ein Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei eine Gastemperatur nach einem Brennvorgang in einem Brennraum der Brennkraftmaschine auf Grundlage der idealen Gasgleichung berechnet wird. Gegenüber Messwerten zeigt diese Berechnungsmethode eine Abweichung der berechneten Gastemperatur zu einer gemessenen Gastemperatur.
  • Aus der WO 2006/015 928 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Zylinder, in dem ein Brennraum ausgebildet ist und dem ein Kolben zugeordnet ist, einen Abgastrakt, der abhängig von der Stellung eines Gasauslassventils mit dem Brennraum des Zylinders kommuniziert, und einen Zylinderdrucksensor, der den Druck in dem Brennraum des Zylinders erfasst. Ein Polytropenexponent wird bestimmt abhängig von mindestens zwei Messwerten des Drucks in dem Brennraum, die während des Arbeitstaktes des Zylinders nach Abschluss der Verbrennung eines in dem Zylinder befindlichen Luft/Kraftstoff-Gemisches und vor einem Öffnen des Gasauslassventils erfasst werden.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine und eine verbesserte Brennkraftmaschine bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 und mittels einer Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Es wurde erkannt, dass ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und eine verbesserte Brennkraftmaschine dadurch bereitgestellt werden kann, wobei ein Zylinderdruck eines Gases in einem Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine gemessen wird, wobei auf Grundlage des gemessenen Zylinderdrucks und einer molaren Veränderung einer Zusammensetzung des Gases im Zylinder während des Brennvorgangs eine Gastemperatur des Gases im Brennraum ermittelt wird, wobei auf Grundlage der ermittelten Gastemperatur die Brennkraftmaschine gesteuert wird.
  • Durch die Berücksichtigung der molaren Veränderung der Zusammensetzung des Gases kann die Gastemperatur im Brennraum besonders präzise berechnet werden. Ferner wird eine Abweichung der Gastemperatur gegenüber einer gemessenen Gastemperatur vermieden. Dadurch können Komponenten der Brennkraftmaschine besonders präzise gesteuert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird der Zylinderdruck nach Verbrennen eines Kraftstoffs im Brennraum gemessen, und/oder wird der Zylinderdruck vor Öffnen eines Auslassventils des Zylinders gemessen.
  • Die Gastemperatur wird auf Grundlage von
    Figure DE102016207135B3_0002
    errechnet, wobei pref ein Referenzdruck des Gases im Brennraum, VOLref ein Referenzvolumen des Brennraums, Tref eine Referenztemperatur des Gases im Brennraum, pcyl der Zylinderdruck im Brennraum, Volcyl ein Volumen des Brennraums zum Zeitpunkt der Druckmessung des Zylinderdrucks pcyl, Tcyl die Gastemperatur des Gases im Brennraum zum Zeitpunkt der Messung des Zylinderdrucks pcyl und MV die molare Veränderung des Gases über die Verbrennung im Brennraum ist.
  • Es wird eine Saugrohrtemperatur in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt der Messung des Referenzdrucks gemessen, wobei die Referenztemperatur auf Grundlage der Saugrohrtemperatur ermittelt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird auf Grundlage der ermittelten Gastemperatur und einer Temperatur eines in den Brennraum bei einem Ladungswechsel eingeführten Frischgases eine Mischtemperatur des nach dem Ladungswechsel im Brennraum vorhandenen Gases ermittelt, wobei auf Grundlage der ermittelten Mischtemperatur ein weiterer auf den Brennvorgang folgender Ladungswechsel gesteuert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird auf Grundlage der Gastemperatur eine Restgasmenge nach einem Ladungswechsel in dem Brennraum ermittelt, wobei auf Grundlage der ermittelten Restgasmenge ein weiterer Brennvorgang in dem Zylinder gesteuert wird. In einer weiteren Ausführungsform wird auf Grundlage der ermittelten Gastemperatur ein NOX-Gehalt in einem Abgas ermittelt, wobei auf Grundlage des ermittelten NOX-Gehalts ein weiterer Brennvorgang im Zylinder und/oder eine Abgasreinigungsvorrichtung gesteuert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird auf Grundlage der Gastemperatur eine Schutzeinrichtung der Brennkraftmaschine, insbesondere einer Ladeeinrichtung und/oder einer Abgasreinigungseinrichtung, gesteuert.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Brennkraftmaschine einen Zylinder mit wenigstens einem Einlassventil, wenigstens einem Auslassventil, einem Brennraum, einem Steuergerät und einem Drucksensor auf, wobei das Steuergerät mit dem Drucksensor verbunden ist, wobei der Zylinder einen Brennraum aufweist, wobei das Einlassventil und das Auslassventil den Brennraum begrenzen, wobei der Drucksensor fluidisch mit dem Brennraum über eine Verbindung mit dem Steuergerät verbunden ist, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
  • 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine;
  • 3 ein Diagramm einer Temperatur und eines Druckes aufgetragen über einem Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine;
  • 4 ein Diagramm einer Temperatur aufgetragen über dem Kurbelwellenwinkel;
  • 5 einen Verlauf einer Temperaturdifferenz ΔT über dem Kurbelwellenwinkel;
  • 6 ein Ablaufdiagramm einer Weiterbildung des in 2 gezeigten Betriebsverfahrens;
  • 7 ein Diagram eines molaren Verhältnisses aufgetragen über dem Kurbelwellenwinkel; zeigen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 100. Die Brennkraftmaschine 100 umfasst einen Ansaugtrakt 105, einen Motorblock 110, einen Zylinderkopf 115, einen Abgastrakt 120 und ein Steuergerät 125.
  • Der Ansaugtrakt 105 umfasst eine Drosselklappe 130, ein Saugrohr 135, einen Sammler 140 und vorteilhafterweise eine Verdichtereinrichtung 275. Die Verdichtereinrichtung 275 kann beispielsweise einen Turbolader und/oder einen Kompressor aufweisen.
  • Der Motorblock 110 weist wenigstens einen ersten Zylinder Z1 auf. In 1 ist beispielhaft der erste Zylinder Z1 dargestellt. Die Brennkraftmaschine 100 kann selbstverständlich auch eine andere Anzahl von Zylindern Z1, Z2 aufweisen. So können weitere Zylinder Z2 vorgesehen sein. So kann beispielsweise die Brennkraftmaschine 100, wie in 1 schematisch dargestellt, als Vierzylindermotor mit vier Zylindern Z1, Z2, Z3, Z4 ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist jeder Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4 identisch ausgebildet. Dabei ist in jedem Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4 jeweils ein Kolben 145 angeordnet, der einen Brennraum 150 im Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4 begrenzt. Der Kolben 145 ist mittels eines Pleuels 155 mit einer Kurbelwelle 160 des Motorblocks 110 verbunden. Der Zylinderkopf 115 umfasst einen Ventiltrieb 165 mit einem Einlassventil 170, wenigstens einem Auslassventil 175 und einem dem Einlassventil 170 zugeordneten ersten Ventilantrieb 180 und einem dem Auslassventil 175 zugeordneten zweiten Ventilantrieb 185.
  • Der Zylinderkopf 115 kann eine Zündkerze 190 und/oder einen Injektor 195 aufweisen. Alternativ kann auch der Injektor 195 im Saugrohr 135 angeordnet sein. Auch kann auf die Zündkerze 190 verzichtet werden. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Brennkraftmaschine 100 als Dieselmotor ausgebildet ist. Ferner umfasst der Zylinderkopf 115 einen Zylinderdrucksensor 196. Der Zylinderdrucksensor 196 ist dabei fluidisch mit dem Brennraum 150 des ersten Zylinders Z1 verbunden.
  • Das Steuergerät 125 weist eine Schnittstelle 200, einen Speicher 205 und eine Steuereinrichtung 210 auf. Die Steuereinrichtung 210 ist mittels einer ersten Verbindung 215 mit dem Speicher 205 verbunden. Mittels einer zweiten Verbindung 220 ist die Steuereinrichtung 210 mit der Schnittstelle 200 verbunden.
  • Die Schnittstelle 200 kann mit verschiedener, nicht dargestellter Aktuatoren und weiterer Steuerverbindungen oder Komponenten der Brennkraftmaschine 100 verbunden sein, auf die im Weiteren, sofern nicht nötig, nicht detailliert eingegangen werden soll.
  • Im Speicher 205 kann ein vordefinierter Schwellenwert und fakultativ ein zusätzlicher vordefinierter weiterer Schwellenwert und/oder ein vordefinierter Sollwert abgelegt sein. Ferner kann im Speicher 205 ein vordefinierter Parameter abgelegt sein. Der vordefinierte Parameter kann beispielsweise ein Kennfeld und/oder eine mathematische Formel und/oder einen Algorithmus umfassen. Ferner ist im Speicher 205 eine vordefinierte kraftstoffabhängige molare Veränderung MV, insbesondere eine prozentuale molare Veränderung MV abgelegt. Die molare Veränderung MV kann vorab beispielsweise per Simulation oder per Messung ermittelt werden. Dabei kann bei der Ermittlung der molare Veränderung MV Wandwärmeeinflüsse im Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4 mitberücksichtigt werden.
  • Die Schnittstelle 200 ist über eine dritte Verbindung 225 mit dem Zylinderdrucksensor 196 verbunden. Die dritte Verbindung 225 kann dabei drahtgeführt oder drahtlos ausgebildet sein.
  • Ferner umfasst die Brennkraftmaschine 100 einen Pedalstellungsgeber 230. Der Pedalstellungsgeber 230 ist ausgebildet, einen Fahrerwunsch hinsichtlich einer Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine 100 zu erfassen. Der Pedalstellungsgeber 230 ist mittels einer vierten Verbindung 235 mit der Schnittstelle 200 des Steuergeräts 125 verbunden.
  • Ferner weist die Brennkraftmaschine 100 einen Kurbelwellensensor 240 auf. Der Kurbelwellensensor 240 weist ein Geberrad 250 mit wenigstens einem Zahn 255 auf. Das Geberrad 250 ist mit der Kurbelwelle 160 drehmomentschlüssig verbunden. Das Geberrad 250 weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Zähnen 255 auf, die in Umfangsrichtung in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist zusätzlich eine erweiterte Lücke 256 zwischen den Zähnen 255 am Geberrad 250 vorgesehen, die beispielsweise mit einem oberen Totpunkt des Kolbens 145 des ersten Zylinders Z1 korreliert. Ferner umfasst der Kurbelwellensensor 240 ein Sensorelement 260, das über eine fünfte Verbindung 265 mit der Schnittstelle 200 verbunden ist.
  • Das Sensorelement 260 kann beispielsweise als Hall-Element ausgebildet sein, dessen Messsignal repräsentativ für eine Kontur des Geberrads 250 ist. Das Sensorelement 260 kann aber auch anders ausgebildet sein, beispielsweise kann das Sensorelement 260 auch eine optische Erfassung aufweisen.
  • Der Abgastrakt 120 ist im geöffneten Zustand des Auslassventils 175 fluidisch mit dem Brennraum 150 verbunden. Der Abgastrakt 120 weist vorteilhafterweise eine Abgasreinigungseinrichtung 270 auf.
  • Ferner ist im Saugrohr 135 beispielhaft ein Saugrohrdrucksensor 276 und ein Saugrohrtemperatursensor 280 angeordnet. Der Saugrohrdrucksensor 276 ist mittels einer sechsten Verbindung 285 und der Saugrohrtemperatursensor 280 mittels einer siebten Verbindung 290 mit der Schnittstelle 200 verbunden.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine 100. 3 zeigt ein Diagramm einer Temperatur und eines Druckes aufgetragen über einem Kurbelwellenwinkel crk.
  • Im Normalbetrieb steuert das Steuergerät 125 die Komponenten der Brennkraftmaschine 100, beispielsweise in Abhängigkeit des durch einen Pedalstellungsgeber 230 geäußerten Fahrerwunschs.
  • Das im Folgenden beschriebene Verfahren wird beispielhaft für den ersten Zylinder Z1 erläutert. Dabei ist der erste Zylinder Z1 beispielhaft für die weiteren Zylinder Z2, Z3, Z4. Für die weiteren Zylinder Z2, Z3, Z4 können die für den ersten Zylinder Z1 durchgeführten Verfahrensschritte entsprechend durchgeführt werden.
  • Die Brennkraftmaschine 100 führt in einen Zyklus mit vorzugsweise vier Arbeitstakten ein Arbeitsverfahren gemäß einem Ottoverfahren und/oder einem Dieselverfahren aus, um an der Kurbelwelle 160 ein Drehmoment zum Antrieb, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Auf den im Folgenden beschriebenen Zyklus und das im Folgenden beschriebene Verfahren folgt ein weiterer Zyklus, in dem die Arbeitstakte und vorzugsweise das im Folgenden beschriebene Verfahren erneut wiederholt werden.
  • In einem ersten Verfahrensschritt 300 wird über den ersten Ventiltrieb 180 das Einlassventil 170 geöffnet und über den Ansaugtrakt 105 Frischluft in den Brennraum 150 des ersten Zylinders Z1 gefördert. Der Öffnungsbeginn des Einlassventils 170 ist in 3 mit IVO gekennzeichnet. Ein zeitabhängiger Öffnungsquerschnitt des Einlassventils 170 ist mittels eines ersten Graphen 400 in 3 strichliert dargestellt. Während des Öffnens des Einlassventils 170 sind sowohl ein Zylinderdruck pCYL als auch eine Gastemperatur Tcyl im Brennraum 150 des ersten Zylinder Z1 im Verhältnis zu einem Verbrennungsdruck annähernd konstant. Ferner ist der Zylinderdruck pCYL im Zylinder Z1 gegenüber einem Maximaldruck pCYLMAX gering.
  • In einem zweiten Verfahrensschritt 305 wird das Einlassventil 170 geschlossen. Der Schließzeitpunkt ist in 3 mittels IVC gekennzeichnet. Dabei wird unter einem geschlossenen Einlassventil 170 verstanden, dass zumindest der Öffnungsquerschnitt am Einlassventil 170 maximal 10% eines maximalen Öffnungsquerschnitts am Einlassventil 170 beträgt. Vorzugsweise ist das Einlassventil 170 vollständig geschlossen.
  • In einem dritten Verfahrensschritt 310 wird ein Referenzdruck pref im Brennraum 150 des ersten Zylinder Z1 nach dem Schließen des Einlassventils 170 durch den Zylinderdrucksensor 196 gemessen. Der Zylinderdrucksensor 196 stellt ein korrespondierend zum Referenzdruck pref gemessenes Drucksignal bereit. Das Drucksignal wird über die dritte Verbindung 225 an die Schnittstelle 200 übertragen, wobei die Schnittstelle 200 das Drucksignal über die zweite Verbindung 220 der Steuereinrichtung 210 bereitstellt. Die Steuereinrichtung 210 speichert den Referenzdruck pref im Speicher 205.
  • In einem vierten Verfahrensschritt 315, der parallel zu dem dritten Verfahrensschritt 310 durchgeführt werden kann, wird zum Zeitpunkt der Messung des Referenzdrucks pref durch den Saugrohrdrucksensor 276 ein Saugrohrdruck und durch den Saugrohrtemperatursensor 285 eine Saugrohrtemperatur gemessen. Der Saugrohrdrucksensor 276 stellt ein korrespondierend zum Saugrohrdruck gemessenes Saugrohrdrucksignal bereit. Das Saugrohrdrucksignal wird über die sechste Verbindung 285 an die Schnittstelle 200 übertragen, wobei die Schnittstelle 200 das Saugrohrdrucksignal über die zweite Verbindung 220 der Steuereinrichtung 210 bereitstellt. Der Saugrohrtemperatursensor 285 stellt ein korrespondierend zur Saugrohrtemperatur gemessenes Saugrohrtemperatursignal bereit. Das Saugrohrtemperatursignal wird über die siebte Verbindung 290 an die Schnittstelle 200 übertragen, wobei die Schnittstelle 200 das Saugrohrtemperatursignal über die zweite Verbindung 220 der Steuereinrichtung 210 bereitstellt.
  • Ferner wird auf Grundlage der erfassten Saugrohrtemperatur und vorzugsweise von weiteren Daten der Brennkraftmaschine 10, beispielsweise eine Kühlwassertemperatur und/oder eine Öltemperatur, vorzugsweise des Saugrohrdrucks sowie eines im Speicher 205 abgelegten Temperaturparameters eine Referenztemperatur Tref des Gases im Brennraum 150 des ersten Zylinder Z1 zum Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils 170 errechnet.
  • Ferner kann bei der Berechnung der Referenztemperatur Tref auch eine Restgasmenge im Zylinder Z1 berücksichtigt werden. Die ermittelte Referenztemperatur Tref wird im Speicher 205 abgelegt.
  • In einem fünften Verfahrensschritt 320 wird ein Referenzvolumen VOLref des Brennraums 150 des ersten Zylinders Z1 zum Zeitpunkt der Druckmessung des Referenzdrucks pref im ersten Zylinder Z1 bestimmt. Dazu erfasst die Steuereinrichtung 210 über die Schnittstelle 200 ein Sensorsignal des Sensorelements 260 des Kurbelwellensensors 240. Das erfasste Sensorsignal entspricht dabei der geometrischen Ausgestaltung von Flanken der Zähne 255 des Geberrads 250. Dabei ist jedem Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4 jeweils ein Winkelbereich des erfassten Messsignals zugeordnet. Aufgrund der ermittelten Winkelposition des Kolbens 145 des ersten Zylinders Z1 ermittelt die Steuereinrichtung 210 das Referenzvolumen VOLref des Brennraums 150 des ersten Zylinders Z1 zum Zeitpunkt der Druckmessung des Referenzdrucks pref.
  • In einem sechsten Verfahrensschritt 325 wird nach Schließen des Einlassventils 170 der zweite Arbeitstakt des bekannten Otto oder Dieselarbeitsverfahrens durchgeführt. Der zweite Arbeitstakt ist in 3 in Richtung der Abszisse zwischen dem Schließen IVC des Einlassventils 170 und einem Zündzeitpunkt TDC angeordnet. Dabei wird das im Brennraum 150 befindliche Gas verdichtet und gegebenenfalls der Kraftstoff eingespritzt. Nach dem Verdichten wird der dritte Arbeitstakt durchgeführt und der Kraftstoff gezündet und verbrannt.
  • Wird beispielsweise in den ersten Zylinder Z1 zur Verbrennung ein Ottokraftstoff, beispielsweise ein Isooctan als Kraftstoff eingespritzt, so verbrennt der Kraftstoff im Brennraum 150 wie folgt: C8H18 + 12,5(O2 + 3,773N2) → 8CO2 + 9H2O + 47,16N2
  • In Mol:
    1 + 59,66 → 64,16
  • Somit verändern sich der in den Brennraum 150 eingebrachte Kraftstoff und das im Brennraum 150 vorhandene Gas von 60,66 Mol zu 64,16 Mol, die nach der Verbrennung vorliegen. Während der Verbrennung liegen jeweils entsprechende Anteile der Edukte und Produkte vor. Für diesen Fall entspricht die molare Veränderung MV einem Quotienten aus der Summe der Edukte und der Summe der Produkte (beispielsweise MV = (1 + 59,66)/64,16). Die prozentuale molare Veränderung MV entspricht einem Quotienten aus der Summe der Edukte und der Summe der Produkte in Prozent.
  • In einem siebten Verfahrensschritt 330 wird nach der Verbrennung des Kraftstoffs und vor Öffnen des Auslassventils 175 mittels des Zylinderdrucksensors 196 ein Zylinderdruck pcyl im Brennraum 150 des ersten Zylinder Z1 gemessen und im Speicher 205 abgelegt.
  • In einem achten Verfahrensschritt 335 wird ein Volumen VOLcyl des Brennraums 150 des ersten Zylinders Z1 zum Zeitpunkt der Druckmessung des Zylinderdrucks pcyl im ersten Zylinder Z1 bestimmt. Die Bestimmung des Volumens VOLcyl erfolgt analog zur Bestimmung des Referenzvolumens VOLref. Das Zylindervolumen VOLcyl wird im Speicher 205 abgelegt.
  • In einem neunten Verfahrensschritt 340 errechnet die Steuereinrichtung 210 die Gastemperatur Tcyl des Gases im Brennraum 150 auf Grundlage des vordefinierten Parameters. Der vordefinierte Parameter weist wenigstens den folgenden Term auf:
    Figure DE102016207135B3_0003
    wobei pref der Referenzdruck des Gases im Brennraum 150, VOLref das Referenzvolumen des Brennraums 150, Tref die Referenztemperatur des Gases im Brennraum 150, pcyl der Zylinderdruck im Brennraum 150, Volcyl das Volumen des Brennraums 150 zum Zeitpunkt der Druckmessung des Zylinderdrucks pcyl, Tcyl die Gastemperatur des Gases im Brennraum 150 zum Zeitpunkt der Messung des Zylinderdrucks pcyl und MV die molare Veränderung des Gases über die Verbrennung im Brennraum 150 ist.
  • Alternativ zur Berechnung der Gastemperatur Tcyl anhand des eben genannten Terms ist auch denkbar, dass auf Grundlage des angegebenen Terms ein Drucktemperaturkennfeld im Speicher 205 abgelegt ist, auf dessen Grundlage die Steuereinrichtung 210 die Gastemperatur Tcyl ermittelt.
  • Durch die Berücksichtigung der molaren Veränderung MV des Gases im Brennraum 150 während des Brennvorgangs kann die Gastemperatur Tcyl nach dem Brennvorgang besonders genau errechnet werden.
  • In einem zehnten Verfahrensschritt 345 berücksichtigt die Steuereinrichtung 210 die Gastemperatur Tcyl zur Steuerung des auf den Zyklus folgenden weiteren Zyklus. Insbesondere kann hierbei ein Zündzeitpunkt und/oder eine Steuerung des Einlassventils 170 und/oder des Auslassventils 175 über den Ventiltrieb 180, 185 zur Steuerung des nächsten Ladungswechsels berücksichtigt werden. Auch kann im zehnten Verfahrensschritt 335 der genaue Öffnungszeitpunkt für das Auslassventil 175 auf Grundlage der Gastemperatur Tcyl genau ermittelt werden und das Auslassventil 175 entsprechend geöffnet werden. Insbesondere ist denkbar, dass auf Grundlage der Gastemperatur Tcyl eine (mittlere) Auslasstemperatur des Gases beim Öffnen des Auslassventils 175 bestimmt wird.
  • 4 zeigt ein Diagramm mit einem zweiten Graph 405 und einem dritten Graph 410.
  • Dabei ist mittels des zweiten Graphen 405 eine weitere Gastemperatur T1 und mittels eines dritten Graphen 410 die Gastemperatur Tcyl über dem Kurbelwellenwinkel crk aufgetragen. Die weitere Gastemperatur T1 ist dabei nach dem idealen Gasgesetz ohne Berücksichtigung der molaren Veränderung MV angegeben worden. Dabei ist zu erkennen, dass der dritte Graph 410 nach Beginn des Brennvorgangs (etwa bei 0° Kurbelwellenwinkel) beispielhaft einen geringeren Temperaturverlauf aufweist als der zweite Graph 405. Dabei bildet der dritte Graph 410 einen realen Gastemperaturverlauf des Gases im Brennraum 150 präziser ab als der zweite Graph 405.
  • 5 zeigt einen Verlauf einer Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Gastemperatur Tcyl und der weiteren Gastemperatur T1 aufgetragen über dem Kurbelwellenwinkel crk. Am Temperaturmaximum TMAX der weiteren Gastemperatur T1 und Gastemperatur Tcyl weist die Temperaturdifferenz ΔT einen besonders hohen negativen Wert auf. Dieser Wert korreliert mit einer besonders hohen Abweichung der Gastemperatur Tcyl zu der weiteren Gastemperatur T1.
  • Durch die verbesserte Berechnung der Gastemperatur Tcyl kann das Steuerverhalten der Brennkraftmaschine 100 besonders präzise an das Brennverhalten angepasst werden. Insbesondere kann dadurch die Steuerung der Brennkraftmaschine 100 derart abgestimmt werden, dass die Brennkraftmaschine 100 ein besonders gutes Schadstoffverhalten aufweist.
  • 6 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Weiterbildung des in 2 gezeigten Verfahrens.
  • Das Verfahren weist die in 2 bereits erläuterten Verfahrensschritte 300 bis 345 auf. Zusätzlich ist ein elfter Verfahrensschritt 350 vorgesehen. Im elften Verfahrensschritt 350 berechnet die Steuereinrichtung 210 auf Grundlage der ermittelten Gastemperatur Tcyl und eines Ladungswechselparameters, der im Speicher 205 abgelegt ist und auf dessen Grundlage ein nach dem Brennvorgang durchgeführter Ladungswechsel gesteuert wird, sowie der Saugrohrtemperatur eines in dem Brennraum 150 bei einem nach dem Brennvorgang durchgeführten Ladungswechsel eingeführten Frischgases eine Mischtemperatur TM des nach dem Ladungswechsel im Brennraum 150 vorhandenen Gases.
  • In einem zwölften Verfahrensschritt 355 steuert auf Grundlage der ermittelten Mischtemperatur TM die Steuereinrichtung 210 einen auf den Ladungswechsel folgenden Zyklus in dem ersten Zylinder Z1. Ferner kann die Steuereinrichtung 210 die Mischtemperatur TM als Referenztemperatur Tref bei der Wiederholung des in 2 beschriebenen Verfahrensfür den darauffolgenden weiteren Zyklus im vierten Verfahrensschritt 315 berücksichtigen.
  • Zusätzlich kann im elften Verfahrensschritt 350 die Steuereinrichtung 210 auf Grundlage der Gastemperatur Tcyl und eines im Speicher 205 abgelegten weiteren Parameters eine Restgasmenge und/oder eine Restgastemperatur und/oder eine Zylinderfüllung des ersten Zylinders Z1 im folgenden Zyklus vorzugsweise unter Berücksichtigung weiterer thermodynamischer Einflüsse ermitteln.
  • Ferner kann im zwölften Verfahrensschritt 355 die Steuereinrichtung 210 die Restgasmenge bei Steuerung des ersten Zylinders Z1 im nachfolgenden weiteren Zyklus, insbesondere zur Steuerung des Brennvorgangs, berücksichtigen. Insbesondere kann hierbei die Steuereinrichtung 210 den Zündzeitpunkt und/oder den Zeitpunkt zur Einspritzung von Kraftstoff über den Injektor 195 auf Grundlage der Restgasmenge und/oder der Mischtemperatur TM entsprechend anpassen.
  • In einem dreizehnten Verfahrensschritt 360 ermittelt die Steuereinrichtung 210 auf Grundlage der ermittelten Gastemperatur Tcyl und eines im Speicher 205 abgelegten Abgasparameters, der beispielsweise als Kennfeld ausgebildet ist, einen NOX-Gehalt nach dem Brennvorgang im ersten Zylinder Z1.
  • In einem vierzehnten Verfahrensschritt 365 steuert die Steuereinrichtung 210 auf Grundlage des ermittelten NOX-Gehalts den auf den Zyklus folgenden weiteren Zyklus im ersten Zylinder Z1. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung 210 die Abgasreinigungsvorrichtung 270 auf Grundlage des ermittelten NOX-Gehalts steuern.
  • Ferner kann in einem fünftzehnten Verfahrensschritt 370 die Steuereinrichtung 210 einen Schutzparameter auf Grundlage eines weiteren Steuerparameters und der Gastemperatur Tcyl ermitteln.
  • In einem sechzehnten Verfahrensschritt 375 steuert die Steuereinrichtung 210 auf Grundlage des Schutzparameters eine Schutzeinrichtung, beispielsweise der Abgasreinigungseinrichtung 270 und/oder der Verdichtereinrichtung 275 und/oder anderer Komponenten der Brennkraftmaschine 100.
  • In einem siebzehnten Verfahrensschritt 380 ermittelt die Steuereinrichtung 210 auf Grundlage eines Rückführungsparameters und der ermittelten Gastemperatur Tcyl ein Steuersignal zur Steuerung eines Abgasrückführungsventils. Dabei verbindet das Abgasrückführungsventil in einem geöffnetem Zustand fluidisch den Abgastrakt 120 mit dem Ansaugtrakt 105.
  • In einem achtzehnten Verfahrensschritt 385 steuert die Steuereinrichtung 210 auf Grundlage des ermittelten Steuersignals das Abgasrückführungsventil. Dabei bewirkt die Abgasrückführung auf die molare Veränderung MV folgendes Reaktionsverhalten beim Brennvorgang: C8H18 + 12,5(O2 3,773N2) + xegr(8CO2 + 9H2O + 47,16N2) → (8CO2 + 9H2O + 47,16N2)(1 + xegr)
  • In Mol:
    1 + 59,66 + xegr(64,16) → 64,16(1 + xegr)
    wobei xegr ein Verhältnis von aus dem Abgastrakt 120 rückgeführtem Gas zu in den Brennraum 150 geförderten Frischgas ist.
  • 7 zeigt ein Diagramm für mehrere molare Verhältnisse, aufgetragen über dem Kurbelwellenwinkel crk.
  • In 7 ist ein vierter Graph 415 und ein fünfter Graph 420 gezeigt. Der vierte Graph 415 zeigt ein Verhältnis von n1/n2 über dem Kurbelwellenwinkel crk. Dabei entspricht n1 der Stoffmenge vor dem Brennvorgang und n2 der Stoffmenge nach dem Brennvorgang. Der vierte Graph 415 zeigt dabei das Verhältnis n1/n2 unter Berücksichtigung der weiteren Gastemperatur T1. Der fünfte Graph 420 zeigt ein weiteres Verhältnis n1/n2 in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels crk bei Berücksichtung der molaren Veränderung MV und der Gastemperatur Tcyl. Dabei steigt der Endwert des fünften Graphen 420 bei 90° Kurbelwellenwinkel crk mit zunehmender Restgasmenge im Zylinder Z1, an.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Verfahrensschritte 1 bis 18 selbstverständlich auch in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können. Zusätzlich oder alternativ ist auch denkbar, dass wenigstens einer oder mehrere zusätzliche Verfahrensschritte vorgesehen sind und/oder auf einen oder mehrere der genannten Verfahrensschritte verzichtet wird. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass der elfte und zwölfte Verfahrensschritt 350, 355 und/oder der dreizehnte und vierzehnte Verfahrensschritt 360, 365 und/oder der fünftzehnte und sechzehnte Verfahrensschritt 365, 370 und/oder der siebzehnte und achtzehnte Verfahrensschritt 375, 380 zusätzlich oder alternativ dem elften und zwölften Verfahrensschritt 350, 355 und/oder dem dreizehnten und vierzehnten Verfahrensschritt 360, 365 und/oder der fünftzehnte und sechzehnte Verfahrensschritt 365, 370 und/oder der siebzehnte und achtzehnte Verfahrensschritt 375, 380 durchgeführt werden.
  • Die oben beschriebene Ausgestaltung der Brennkraftmaschine 100 und das Verfahren hat den Vorteil, dass die Gastemperatur Tcyl besonders genau bestimmt werden kann und somit die Brennkraftmaschine 100 besonders genau gesteuert werden kann. Insbesondere kann das Auslassventil 175 durch die verbesserte Berechnung der Gastemperatur Tcyl besonders präzise gesteuert werden.
  • Ferner kann durch die genaue Bestimmung der Gastemperatur Tcyl ein zuverlässiger Schutz von Komponenten der Brennkraftmaschine 100, insbesondere eine Überhitzung der Abgasreinigungseinrichtung 270 und/oder der Verdichtereinrichtung 275, sichergestellt werden.
  • Ferner kann auf Grundlage der Gastemperatur Tcyl verbessert die Abgasreinigungseinrichtung 270 gesteuert werden, sodass besonders rigide Abgasvorschriften verbessert eingehalten werden können. Auch kann eine Temperatur des Gases im Abgastrakt auf Grundlage der Gastemperatur Tcyl genau modelliert werden.
  • Ebenso können durch die verbesserte genaue Bestimmung der Gastemperatur Tcyl Wandwärmeverluste innerhalb der Brennkraftmaschine 100 verbessert erfasst werden. Durch die verbesserte Berechnung der Gastemperatur Tcyl kann auch eine verbesserte Diagnose von Komponenten der Brennkraftmaschine 100, insbesondere auf Haltbarkeit und/oder Verschleiß, beispielsweise im Abgastrakt 120 erfolgen.
  • Ferner kann durch die Gastemperatur Tcyl besonders genau die Restgastemperatur nach dem Ladungswechsel und/oder die Mischtemperatur TM und/oder eine Gaszusammensetzung nach dem Ladungswechsel berechnet werden. Auf Grundlage der verbesserten Bestimmung der Restgasmenge kann damit auch eine bessere Restgasregelung/Abgasrückführung im nachfolgenden weiteren Zyklus gesteuert werden. Durch die mögliche Ausnutzung von kritischen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 100, die durch die genaue Berechnung der Gastemperatur Tcyl nun ausgenutzt werden können, z. B. bei Volllast, kann die Brennkraftmaschine 100 entdrosselt werden. Besonders günstige Kraftstoffverbräuche werden durch den erhöhten Restgasgehalt ermöglicht. Ferner können NOX-Emissionen durch den erhöhten Restgasgehalt durch die präzise Berechnung der Gastemperatur Tcyl reduziert werden.
  • Ferner kann auf Grundlage der Gastemperatur Tcyl eine Zusammensetzung der Füllung des Brennraums 150 genau bestimmt werden.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Brennkraftmaschine
    105
    Ansaugtrakt
    110
    Motorblock
    115
    Zylinderkopf
    120
    Abgastrakt
    125
    Steuergerät
    130
    Drosselklappe
    135
    Saugrohr
    140
    Sammler
    145
    Kolben
    150
    Brennraum
    155
    Pleuel
    160
    Kurbelwelle
    165
    Ventiltrieb
    170
    Einlassventil
    175
    Auslassventil
    180
    erster Ventilantrieb
    185
    zweiter Ventilantrieb
    190
    Zündkerze
    195
    Injektor
    196
    Zylinderdrucksensor
    200
    Schnittstelle
    205
    Speicher
    210
    Steuereinrichtung
    215
    erste Verbindung
    220
    zweite Verbindung
    225
    dritte Verbindung
    230
    Pedalstellungsgeber
    235
    vierte Verbindung
    240
    Kurbelwellensensor
    250
    Geberrad
    255
    Zahn
    256
    Lücke
    260
    Sensorelement
    265
    fünfte Verbindung
    270
    Abgasreinigungseinrichtung
    275
    Verdichtereinrichtung
    276
    Saugrohrdrucksensor
    280
    Saugrohrtemperatursensor
    285
    sechste Verbindung
    290
    siebte Verbindung
    300
    erster Verfahrensschritt
    305
    zweiter Verfahrensschritt
    310
    dritter Verfahrensschritt
    315
    vierter Verfahrensschritt
    320
    fünfter Verfahrensschritt
    325
    sechster Verfahrensschritt
    330
    siebter Verfahrensschritt
    335
    achter Verfahrensschritt
    340
    neunter Verfahrensschritt
    345
    zehnter Verfahrensschritt
    350
    elfter Verfahrensschritt
    355
    zwölfter Verfahrensschritt
    360
    dreizehnter Verfahrensschritt
    365
    vierzehnter Verfahrensschritt
    370
    fünfzehnter Verfahrensschritt
    375
    sechzehnter Verfahrensschritt
    380
    siebzehnte Verfahrensschritt
    385
    achtzehnte Verfahrensschritt
    400
    erster Graph
    405
    zweiter Graph
    410
    dritter Graph
    415
    vierter Graph
    420
    fünfter Graph

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (100) mit wenigstens einem Zylinder (Z1, Z2, Z4, Z4), – wobei ein Zylinderdruck (pcyl) eines Gases in einem Brennraum (150) des Zylinders (Z1, Z2, Z4, Z4) der Brennkraftmaschine (100) gemessen wird, – wobei auf Grundlage des gemessenen Zylinderdrucks (pcyl) und einer molaren Veränderung (MV) einer Zusammensetzung des Gases im Zylinder (Z1, Z2, Z4, Z4) während des Brennvorgangs eine Gastemperatur (Tcyl) des Gases im Brennraum (150) ermittelt wird, – wobei ein Referenzdruck (pref) im Brennraum (150) des Zylinders (Z1, Z2, Z4, Z4) gemessen wird, – wobei eine Saugrohrtemperatur in einem Saugrohr (135) der Brennkraftmaschine (10) zum Zeitpunkt der Messung des Referenzdrucks (pref) gemessen wird, – wobei auf Grundlage der erfassten Saugrohrtemperatur und eines im Speicher (205) abgelegten Temperaturparameters die Referenztemperatur (Tref) des Gases im Brennraum (150) des Zylinders zum Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils (170) errechnet wird, – wobei die Gastemperatur (T2) auf Grundlage von
    Figure DE102016207135B3_0004
    errechnet wird, – wobei pref der Referenzdruck des Gases im Brennraum (150), VOLref ein Referenzvolumen des Brennraums (150), Tref eine Referenztemperatur des Gases im Brennraum (150), pcyl der Zylinderdruck im Brennraum (150), Volcyl ein Volumen des Brennraums (150) zum Zeitpunkt der Druckmessung des Zylinderdrucks pcyl, Tcyl die Gastemperatur des Gases im Brennraum (150) zum Zeitpunkt der Messung des Zylinderdrucks pcyl und MV die molare Veränderung des Gases über die Verbrennung im Brennraum (150) ist, – wobei auf Grundlage der ermittelten Gastemperatur (T2) die Brennkraftmaschine (10) gesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, – wobei der Zylinderdruck (pcyl) nach Verbrennen eines Kraftstoffs im Brennraum (150) gemessen wird, – und – wobei der Zylinderdruck (pcyl) vor Öffnen eines Auslassventils (175) des Zylinders (Z1, Z2, Z4, Z4) gemessen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, – wobei der Referenzdruck (pref) nach Schließen eines Einlassventils (170) der Brennkraftmaschine (10) und vor Beginn des Verbrennens des Kraftstoffs im Brennraum (150) gemessen wird, – und/oder – wobei das Referenzvolumen (Vref) zum Zeitpunkt des Messens des Referenzdrucks (pref) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei auf Grundlage der ermittelten Gastemperatur (Tcyl) und einer Temperatur eines in den Brennraum (150) bei einem Ladungswechsel eingeführten Frischgases eine Mischtemperatur (TM) des nach dem Ladungswechsel im Brennraum (150) vorhandenen Gases ermittelt wird, – wobei auf Grundlage der ermittelten Mischtemperatur (TM) ein weiterer auf den Brennvorgang folgender Ladungswechsel gesteuert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei auf Grundlage der Gastemperatur (Tcyl) eine Restgasmenge nach einem Ladungswechsel in dem Brennraum (150) ermittelt wird, – wobei auf Grundlage der ermittelten Restgasmenge ein weiterer Brennvorgang in dem Zylinder (Z1, Z2, Z4, Z4) gesteuert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei auf Grundlage der ermittelten Gastemperatur (Tcyl) ein NOX-Gehalt in einem Abgas ermittelt wird, – wobei auf Grundlage des ermittelten NOX-Gehalts ein weiterer Brennvorgang im Brennraum und/oder eine Abgasreinigungsvorrichtung (270) gesteuert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei auf Grundlage der Gastemperatur (Tcyl) eine Schutzeinrichtung der Brennkraftmaschine (100), insbesondere einer Ladeeinrichtung und/oder einer Abgasreinigungseinrichtung (270), gesteuert wird.
  8. Brennkraftmaschine (100) für ein Kraftfahrzeug, – aufweisend einen Zylinder (Z1, Z2, Z4, Z4) mit wenigstens einem Einlassventil (170), wenigstens einem Auslassventil (175), einem Brennraum (150) und einem Steuergerät (125) und einem Zylinderdrucksensor (196), – wobei das Steuergerät (125) mit dem Zylinderdrucksensor (196) verbunden ist, – wobei der Zylinder (Z1, Z2, Z4, Z4) einen Brennraum (150) aufweist, – wobei der Brennraum (150) abschnittsweise durch das Einlassventil (170) und das Auslassventil (175) begrenzt wird, – wobei der Zylinderdrucksensor (196) fluidisch mit dem Brennraum (150) verbunden und über eine Verbindung (225) mit dem Steuergerät (125) verbunden ist, – wobei das Steuergerät (125) ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006015928A1 (de) * 2004-08-05 2006-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zum steuern einer brennkraftmaschine

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Title
Gerhard Franz: Thermodynamik; 20. Januar 2014; Skript, FH München; Recherchiert am 10.06.2016; URL: https://www.fb06.fh-muenchen.de/fb/index.php/de/download.html?f_id=6696 *

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